因子分析在地球化学分区中的应用及指示意义——以山东省莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据为例

doi:10.11720/wtyht.2025.2505

因子分析在地球化学分区中的应用及指示意义——以山东省莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据为例

卢文东¹^,², 孙斌³, 李光杰^,¹^,², 魏伟¹^,², 夏小兴¹^,², 潘丙磊¹^,², 沙晴¹^,², 吕小红¹^,², 李元春¹^,², 乔娜¹^,²

1.山东省地质矿产勘查开发局第一地质大队,山东济南 250100

2.山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室,山东济南 250100

3.山东省地质调查院,山东济南 250000

Application of factor analysis in geochemical zoning and its implications: A case study of 1:50,000 stream sediment survey in the Juxian-Wulian area, Shandong Province

LU Wen-Dong¹^,², SUN Bin³, LI Guang-Jie^,¹^,², WEI Wei¹^,², XIA Xiao-Xing¹^,², PAN Bing-Lei¹^,², SHA Qing¹^,², LYU Xiao-Hong¹^,², LI Yuan-Chun¹^,², QIAO Na¹^,²

1. No.1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources, Jinan 250100, China

2. Shandong Engineering Laboratory for High-Grade Iron Ore Exploration and Exploitation, Jinan 250100, China

3. Shandong Institute of Geological Surveying, Jinan 250100, China

通讯作者: 李光杰(1985-),男,山东青州人,高级工程师,主要从事地质调查与矿产勘查工作。Email:552485767@qq.com

第一作者: 卢文东(1986-),男,2009年毕业于河北地质大学(原石家庄经济学院),高级工程师,中国矿业权评估师,主要从事地质矿产勘查、地球化学勘查及成矿规律研究与预测工作。

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2023-11-20 修回日期: 2024-12-31

基金资助:

山东省地质勘查基金项目(鲁国土资字〔2015〕317号)

Received: 2023-11-20 Revised: 2024-12-31

摘要

利用因子分析对山东省莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据进行研究,通过提取出的8个具有代表性的因子,确定了元素的组合类型,并利用各因子得分值进行元素组合分区,分别讨论了各子区与其地质背景的关系,依据地球化学分区结果,综合地质成矿条件,确定了成矿有利地质体及找矿方向。本区最具成矿意义的组合为Au-Cu-Ag-Mo-Bi,其次为Pb-Zn;V-Ti-Co-Mn组合和Ni-Cr组合可作为探途元素,指示组合异常地段的中心及深部可能存在有利的成矿机制。在本区或者区域上火山岩分布区寻找寄火山口、隐爆角砾岩筒是重要的找矿方向;在研究区东部石场—坊子村一带,具备一个F₂-F₄-F₁三因子组合模式的综合分区,中生代埠柳序列、伟德山序列岩体是成矿有利地质体,其中的NE向构造带是成矿有利场所,指明了找矿方向。

关键词： 因子分析; 地球化学分区; 水系沉积物; 成矿预测; 找矿方向

Abstract

This study investigated data from a 1:50,000 stream sediment survey in the Juxian-Wulian area, Shandong Province using factor analysis. By extracting eight representative factors, this study identified element assemblage types. Then, this study performed geochemical zoning based on the factor scores and discussed the relationships between various sub-zones and their geological background. Based on the geochemical zoning results, as well as geological conditions for mineralization, this study determined favorable geological bodies and prospecting targets and discovered new prospecting clues.The most significant mineralization combination in this area is Au-Cu-Ag-Mo-Bi, followed by Pb-Zn; The V-Ti-Co-Mn combination and Ni-Cr combination can serve as exploration elements, indicating that there may be favorable mineralization mechanisms in the center and deep parts of the combination anomaly zone. Finding volcanic craters and hidden explosive breccia tubes in the distribution areas of volcanic rocks in this region or area is an important direction for mineral exploration; In the area of Shichang Fangzi Village in the eastern part of the research area, there is a comprehensive zoning with a F₂-F₄-F₁ three factor combination model. The Mesozoic Buliu sequence and Weideshan sequence rock bodies are favorable geological bodies for mineralization, and the NE trending structural belt is a favorable place for mineralization, indicating the direction of prospecting.

Keywords： factor analysis; geochemical zoning; stream sediment; metallogenic prediction; prospecting target

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卢文东, 孙斌, 李光杰, 魏伟, 夏小兴, 潘丙磊, 沙晴, 吕小红, 李元春, 乔娜. 因子分析在地球化学分区中的应用及指示意义——以山东省莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据为例[J]. 物探与化探, 2025, 49(2): 411-421 doi:10.11720/wtyht.2025.2505

LU Wen-Dong, SUN Bin, LI Guang-Jie, WEI Wei, XIA Xiao-Xing, PAN Bing-Lei, SHA Qing, LYU Xiao-Hong, LI Yuan-Chun, QIAO Na. Application of factor analysis in geochemical zoning and its implications: A case study of 1:50,000 stream sediment survey in the Juxian-Wulian area, Shandong Province[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(2): 411-421 doi:10.11720/wtyht.2025.2505

0 引言

自20世纪80年代以来,地球化学勘查作为重要的手段,在我国的地质矿产勘查工作中起到了卓有成效的作用^[1],水系沉积物测量方法作为其中的手段之一,在区域化探扫面中提供的找矿信息占有重要位置。而地质工作实践^[2⇓⇓-5]表明,提取地球化学信息,划分不同的地球化学分区,并以此为基础进一步提取有用的异常信息,研究其地质意义,有助于开展成矿预测。近年来,很多学者应用因子分析在地学方面进行研究,取得了较好的找矿效果。笔者在总结前人工作方法的基础上,对莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据进行分析,确定元素组合类型,根据因子得分后的数值进行地球化学分区,绘制地球化学分区图,对具有找矿意义的因子探讨其与地质体的关系^[6],综合地质成矿条件和矿化线索,总结该地区地质地球化学特征,指明找矿方向。

1 研究区地质背景

研究区位于山东省东南部,日照市西北约3 km,海拔71~674.7 m,相对高差603.70 m,地势东南高、西北低。境内南北向、北北东向山脉连绵起伏,切割作用相对较强,间歇性水系发育,自然景观类型属湿润、半湿润中低山丘陵区。

研究区大地构造位置位于郯庐断裂带山东段之沂沭断裂带中南段,华北板块与扬子板块的碰撞带上,是中国东部环太平洋构造岩浆—火山活动带的组成部分。自西而东跨沂沭断裂带、胶莱盆地、胶南隆起3个Ⅲ级大地构造单元(图1a),地层从老到新依次为中太古界沂水岩群、新元古界土门群、古生界寒武—奥陶系、中生界白垩系、新生界第四系(图1b),以中生界白垩系为主,次为新生界第四系,太古宇及元古宇少量出露。

图1

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图1 研究区大地构造背景图(a,据张增奇^[7]修改)及区域地质图(b)

1—第四系;2—上白垩统-古新统王氏群;3—下白垩统大盛群;4—下白垩统青山群;5—下白垩统莱阳群;6—寒武-奥陶系;7—青白口系-震旦系土门群;8—中太古界沂水岩群;9—早白垩世崂山序列;10—早白垩世大店序列;11—早白垩世伟德山序列;12—早白垩世埠柳序列;13—晚侏罗世玲珑序列;14—晚三叠世柳林庄序列;15—新元古代铁山序列;16—新元古代月季山序列;17—新元古代梭罗树序列;18—新元古代荣成序列;19—中元古代海阳所序列;20—新太古代红门序列;21—新太古代沂水序列;22—新太古代泰山序列;23—早白垩世辉石二长岩;24—早白垩世安山玢岩;25—早白垩世闪长玢岩;26—早白垩世粗安斑岩脉;27—闪长玢岩脉;28—花岗斑岩脉;29—正长斑岩脉;30—二长斑岩脉;31—石英斑岩脉;32—辉绿岩脉;33—沙沟玄武岩;34—压扭性断裂/性质不明断裂/张扭性断裂;35—推测断裂;36—地质界线;37—金矿(点);38—铜矿(点);39—黄铁矿;40—铅矿点;41—锌矿点;42—多金属矿点;43—铅锌矿点;44—铁矿点;45—银矿点;46—钾矿点;47—稀土矿点;48—研究区范围

Fig. 1 Geotectonic background map of the study area (a, modified by Zhang^[7]) and regional geological map of the study area (b)

1—Quaternary system; 2—upper Cretaceous-Paleocene series Wangshi Group; 3—lower Cretaceous Dasheng Group; 4—lower Cretaceous Qingshan Group; 5—lower Cretaceous Laiyang Group; 6—Cambrian-Ordovician system; 7—Qingbaikou-Sinian Tumen Group; 8—middle Paleozoic Yishui Rock Group; 9—early Cretaceous Laoshan sequence; 10—early Cretaceous Dadian sequence; 11—early Cretaceous Weideshan sequence; 12—early Cretaceous Buliu sequence; 13—late Jurassic Linglong sequence; 14—late Triassic Liulinzhuang sequence; 15—Neoproterozoic Tieshan sequence; 16—Neoproterozoic Yuejishan sequence; 17—Neoproterozoic Suoluoshu sequence; 18—Neoproterozoic Rongcheng sequence; 19—Mesoproterozoic Haiyangsuo sequence; 20—Newarchean Hongmen sequence; 21—Newarchean Yishui sequence; 22—Neoarchean Taishan sequence; 23—early Cretaceous pyroxene diorite; 24—early Cretaceous andesite; 25—early Cretaceous diorite porphyry; 26—early Cretaceous Coarse andesite vein; 27—diorite porphyry vein; 28—granite porphyry vein; 29—syenite porphyry vein; 30—diorite vein; 31—Quartz porphyry vein; 32—diabase veins; 33—Shagou basalt; 34—compressive torsional fracture/fracture with unknown properties/tensile torsional fracture; 35—speculation of fracture; 36—geological boundary; 37—gold mine(point); 38—copper mine(point); 39—pyrite; 40—lead ore occurrence; 41—zinc ore occurrence; 42—multi metallic mineral occurrences; 43—lead zinc mineral occurrences; 44—iron ore deposit; 45—silver mining site; 46—potassium ore occurrence; 47—rare earth mineral occurrences; 48—scope of the research area

研究区内构造以断裂构造和碰撞构造为主,主要有NNE、NE、NEE、NW等方向的断裂。NNE向沂沭断裂带与NEE向胶莱盆地南缘断裂共同作用,明显控制着五莲—胶南成矿带的展布方向,对胶南隆起北缘及胶莱盆地南侧的各矿床起到重要的控矿作用^[8]。

研究区内岩浆活动频繁,可以划分为前寒武纪和中生代岩浆岩(图1b)。鲁西前寒武纪岩浆岩呈岩株及岩墙状产出,主要为新太古代泰山序列、沂水序列及红门序列侵入岩,岩性以石英闪长岩、二长花岗岩、黑云闪长岩、片麻岩等为主。鲁东前寒武纪侵入岩呈包体或脉状出露,主要为中元古代海阳所序列,新元古代荣成序列、梭罗树序列、月季山序列、铁山序列侵入岩,岩性多以二长花岗岩、片麻岩、辉长岩、角闪岩为主。中生代岩浆岩以岩株状侵入于莱阳群地层中,主要为燕山晚期埠柳序列、伟德山序列、大店序列的中酸性岩类,岩性主要为石英二长闪长岩、石英二长岩、二长花岗岩、石英正长岩。前寒武纪岩浆岩主要构成结晶基底,中生代岩浆岩与金、铜及多金属矿成矿关系密切。在早白垩世,胶南隆起北缘地区以及胶莱盆地,火山喷发活动在断裂构造带处十分强烈,形成诸多火山机构^[9]。胶南隆起北缘的铜金及多金属矿大多与火山机构相关^[10-11]。五莲七宝山金线头金铜矿、五莲七宝山多金属矿就分别赋存在五莲七宝山火山机构内的隐爆角砾岩筒和构造破碎带中^[12-13]。

2 水系沉积物测量

2.1 采样技术要求

水系沉积物是岩石风化的产物,在化学成分上与上游汇水盆地岩石组成具有明显的继承性^[14]。本次水系沉积物测量基本采样密度为4~8个点/km²,共采集化探样品9 733件。水系沉积物样品主要在一、二级水系中采集,三级水系布设少量控制点,采集代表汇水域基岩成分的细砂、粉砂等物质。在水系不发育地段及覆盖区,以代表下伏基岩的残坡积、冲积土壤样品控制,采样位置在腐殖层以下,尽量采集母质层的土壤。水系沉积物样品的野外过筛粒级为-60目,土壤样品的野外过筛粒级为-40目。

2.2 样品分析测试

样品分析测试Au、Ag、Cu、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Hg、Co、Mo、Ni、 Cr、W、Sn、V、Ti、Mn共18个元素。测试工作由具有中华人民共和国自然资源部地质实验测试(岩矿测试)甲级资质的山东省鲁南地质工程勘察院承担。测试质量根据《区域地球化学勘查规范(1:25 000)》(DZ/T 0167—1995)、《地球化学普查规范(1:50 000)》(DZ/T 0011—2015)执行。同时,对工作区一级标样(GBW)进行检测分析,18种元素的对数偏差及标准偏差均优于规范的规定,合格率均为100%。随机抽取8.72%的样品进行重复性密码检测,经双份测定后,18种元素合格率范围在90.3%~96.4%,均在90%以上。综上所述,本次样品分析测试数据可靠,分析质量达到或优于规范质量要求。

3 地球化学分区统计原理及方法

因子分析是一种运用降维的思想,从研究原始数据相关矩阵的内部依赖关系出发,把一些信息重叠,将具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的多元统计分析方法^[15]。因子分析是研究元素共生组合的有效方法和手段^[16-17],其工作过程有2步:首先利用因子分析对18种元素进行降维,提取出有代表性的公共因子,以确定元素的组合类型^[3];其次利用因子得分划分样品属性,确定分区的位置和边界,以实现地球化学分区^[2⇓-4]。

3.1 元素组合的确定

确定对成矿具有指示意义的元素组合的基础是准确、合理地筛选公共因子,因此,首先需要建立因子模型,计算因子载荷矩阵。假设有n个样品,每个样品观测k个变量,建立因子模型为:

X_{i} = a_{i 1} F_{1} + a_{i 2} F_{2} + \dots + a_{i m} F_{m} + δ_{i}, i = 1,2, \dots, k

其矩阵形式为:

X=AF+δ

式中:A= $[\begin{array}{l} a_{11} & \dots & a_{1 m} \\ ︙ & ︙ & ︙ \\ a_{k 1} & \dots & a_{k m} \end{array}]$ 为因子载荷矩阵;F为公共因子;δ为特殊因子。

为使提取的公共因子更具合理性和可解释性,利用方差最大法对初始因子载荷矩阵进行正交旋转,合理的划分、确定元素组合。

3.2 样品属性的划分

划分出的元素组合类型,是对样品数据地球化学分类的反映,而确定样品的属性,则需要在因子分析过程中计算因子得分。因子得分值反映每个样品在各种地质作用中的属性,可利用该属性研究不同地质作用的空间分布特征^[18]。

F_{j} = β_{j 1} X_{1} + β_{j 2} X_{2} + \dots + β_{j k} X_{k}, j = 1,2, \dots, m

式中:β_jk为变量系数;k为变量(元素)数。

每个样品都重新对应一个因子得分,在不同因子中的得分是样品在该因子中所具有的地球化学因素组合特征的反映^[19]。当分析因子(元素组合)被赋予客观合理的地质、成矿作用解释后,对于每个样品的每个因子得分就是对该样品地质、成矿作用的示踪^[5-6]。因此,因子得分最大者代表了该样品的地质成矿信息。

4 水系沉积物地球化学分区

4.1 因子分析的前提条件

Bartlett球度检验(bartlett test of sphericity)和 KMO(kaiser-meyer-olkin)检验值的大小是衡量样品数据是否适合进行因子分析的两个重要指标,Bartlett球度检验用于检验各变量是否各自独立,当概率P值小于给定的显著性水平a,即相关矩阵为单位阵,则认为原变量适合做因子分析。KMO值越接近于1,意味着变量间的相关性越强^[6],对此Kaiser提供的判断标准^[19]为:KMO>0.9,非常适合;0.8<KMO<0.9,适合;0.7<KMO<0.8,一般;0.6<KMO<0.7,适合度较低;KMO<0.6,不合适。运用SPSS软件对研究区9 733件水系沉积物样品的18种元素原始数据进行Bartlett球度检验和 KMO检验(表1),研究区Bartlett球度检验统计量为67 150.284,在自由度为153的条件下、概率P值为0的水平上达到显著。如果显著性水平α为0.05,则概率P值小于显著性水平α,KMO值为0.806,因此,研究区数据适合做因子分析。

表1 Bartlett球度检验和KMO检验分析

Table 1 Bartlett sphericity test and KMO test

参数	数值
KMO值	0.806
Bartlett球度检验统计量	67150.284
自由度	153
概率P值	0

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4.2 确定元素组合类型

求出相关系数矩阵的特征值和累积方差贡献率(表2),选取累积方差贡献率>75%的因子为标准提取公共因子,最终选取了8个公共因子,这8个公共因子解释了原有的18个变量总方差的76.735%,且旋转前后的累积方差贡献率不变,说明总的信息量不变,因子分析效果较好。

表2 研究区因子分析特征值和累计方差贡献率

Table 2 Factor analysis eigenvalues and cumulative variance contribution rate of the study area

因子	旋转前			旋转后
因子	总特征值	方差贡献率/%	累积贡献率/%	总特征值	方差贡献率/%	累积贡献率/%
F₁	4.322	24.010	24.010	3.019	16.773	16.773
F₂	3.041	16.896	40.906	2.593	14.408	31.181
F₃	1.527	8.481	49.386	1.902	10.565	41.746
F₄	1.200	6.667	56.053	1.694	9.411	51.157
F₅	1.044	5.800	61.853	1.503	8.347	59.504
F₆	0.966	5.369	67.222	1.092	6.064	65.568
F₇	0.897	4.982	72.204	1.008	5.601	71.169
F₈	0.816	4.531	76.735	1.002	5.566	76.735

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因正交旋转因子载荷矩阵比初始因子载荷矩阵反应的元素组合类型更具合理性和可解释性^[6,14],故采用正交旋转后的因子载荷矩阵确定元素组合(表3),确定了8个因子分别代表研究区的8种元素组合类型,F₁:V-Ti-Co-Mn;F₂:Au-Cu-Mo-Ag-Bi;F₃:Ni-Cr;F₄:Pb-Zn;F₅:As-Sb;F₆:Sn;F₇:Hg;F₈:W。

表3 因子分析正交旋转因子载荷矩阵

Table 3 Factor analysis orthogonal rotation factor load matrix

变量	因子载荷
变量	F₁	F₂	F₃	F₄	F₅	F₆	F₇	F₈
Au	0.078	0.755	-0.044	-0.134	0.010	-0.206	0.088	0.020
Ag	-0.009	0.707	-0.061	0.322	0.302	0.206	-0.038	-0.031
Mo	0.182	0.657	-0.113	0.243	0.194	0.267	-0.068	-0.023
Sn	0.108	0.092	-0.030	-0.039	0.009	0.935	0.047	0.025
Co	0.804	0.040	0.427	0.085	0.052	-0.037	0.010	0.058
Cr	0.270	-0.019	0.866	-0.003	0.010	0.004	0.027	0.055
Cu	0.031	0.732	0.215	0.086	-0.032	0.025	-0.040	0.007
Mn	0.696	0.135	0.065	0.415	-0.020	0.021	0.039	0.064
Ni	0.144	0.049	0.929	0.022	0.050	-0.040	-0.004	0.061
Pb	0.062	0.340	-0.032	0.777	0.167	0.000	0.022	-0.012
Ti	0.904	-0.018	0.120	0.042	-0.060	0.084	-0.008	0.026
V	0.911	0.058	0.070	0.053	0.009	0.070	-0.015	0.014
W	0.092	0.034	0.106	0.050	0.068	0.024	-0.001	0.976
Zn	0.271	0.044	0.057	0.791	0.083	-0.038	0.056	0.064
As	0.027	0.190	0.026	0.020	0.786	-0.127	0.051	0.128
Sb	-0.048	0.120	0.043	0.181	0.782	0.139	0.011	-0.055
Bi	-0.068	0.591	-0.020	0.224	0.301	0.078	0.112	0.089
Hg	0.007	0.036	0.020	0.066	0.059	0.042	0.984	-0.001

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4.3 确定分区的位置和边界

元素的组合类型划分以后,需要划分样品的属性。我们构建一个数学模型:假设样品i对应的P个因子得分为f(i,j),其中j=1,2,…,m;P=1,2,…,m。若f(i,k)= $\frac{m a x}{j = 1, P}$ [f(i,j)],则第i个样品归为k类。某样品在因子k中的得分值最大,说明该样品在该类元素组合类型中所代表的某种地质信息的权重大,由此,可以将全部样品划分为P个类型。若将地理空间位置相邻的同类样品定义为一个分区,则可以确定分区的位置和边界,进而实现地球化学分区^[19-20];同时对每件样品所代表的地质信息进行评价^[6]。据此,将全区参加分析统计的样品按照因子得分值划分成8类,得到地球化学分区图(图2)。

图2

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图2 研究区地球化学分区

Fig.2 Geochemical subdivisions in the study area

5 地球化学分区的讨论与分析评价

根据表2、表3表现出的数据特征和图1、图2表现出的地质条件、地质作用、控矿因素及矿化类型, 对地球化学分区特征进行讨论与分析评价。

F₁因子的方差贡献率最大,为16.773%,是研究区占有主要地位的因子,元素组合为V-Ti-Co-Mn,以V、Ti为主,伴有Co、Mn,主要分布于中生代青山群火山岩—潜火山岩区,中生代埠柳序列中酸性侵入岩与中生代莱阳群地层接触部位的角岩化带,古元古代莱州序列、中元古代海洋所序列中性—偏基性岩地区。3个主要分布区分别代表了中生代火山作用、中生代岩浆侵入热接触蚀变作用和元古宙岩浆作用。火山岩以中酸性岩为主,多发育褐铁矿化,该元素组合系亲铁族元素,在该分布区断层附近有铁矿点发育,属构造控矿,反映了区内岩浆期后热液活动亲铁族元素的富集阶段。区内已知最大的七宝山隐爆角砾岩火山机构即位于火山岩中,是以隐爆角砾岩型Au、Cu矿为主中心产出,次级构造破碎蚀变岩型Ag、Cu、Pb、Zn多金属矿为放射状产出,外围火山岩中V、Ti、Co、Mn元素富集的多元素综合成矿系统,故V、Ti、Co、Mn可以作为F₂因子的探途元素。

特别指出的是,在研究区中南部下不落崮地区(图3),圈定出一个以Ni-Cr元素组合为主的地球化学分区,属F₃因子,但该区主要分布中生代青山群火山岩,仅在东南部有少量大盛群出露,推测该区域的水系沉积物样品主要为中生代大盛群残积物,据山东省区域地质,许多青山群火山岩地层中有呈夹层产出的大盛群沉积地层^[21],进一步推断该青山群火山岩上部曾覆盖有一定规模的大盛群地层,只是在最近的一个地质时期内,该区的大盛群地层被风化剥蚀。因此,该区地球化学分区反映的是中生代大盛群的背景,其下覆青山群地层出露地表,呈近椭圆形分布,同时发育环形构造,推测深部可能存在火山通道,发育一定规模的潜火山岩,有望寻找一处隐爆角砾岩型金属矿床。

图3

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图3 研究区下不落崮地区地质简图(a)及因子分析对比(b)

1—第四系;2—下白垩统大盛群;3—下白垩统青山群;4—下白垩统莱阳群;5—早白垩世大店序列;6—晚三叠世柳林庄序列;7—新元古代月季山序列;8—花岗斑岩脉;9—正长斑岩脉;10—二长斑岩脉;11—压扭性断裂/张扭性断裂/性质不明断裂;12—火山机构;13—F₁(Co-Mn-Ti-V)分区;14—F₂(Au-Ag-Mo-Cu-Bi)分区;15—F₃(Cr-Ni)分区;16—F₄(Pb-Zn)分区;17—F₇(Hg)分区;18—混合因子分区;19—铜矿点;20—铁矿点;21—钾矿点

Fig.3 Geological sketch map (a) and factor analysis contrast map (b) of Xiabuluogu area in the study area

1—Quaternary system; 2—lower Cretaceous Dasheng Group; 3—lower Cretaceous Qingshan Group; 4—lower Cretaceous Laiyang Group; 5—early Cretaceous Dadian sequence; 6—late Triassic Liulinzhuang sequence; 7—Neoproterozoic Yuejishan sequence; 8—granite porphyry vein; 9—syenite porphyry vein; 10—monzonitic porphyry vein; 11—compression torsion fracture/tension torsion fracture/fracture of unknown nature; 12—volcanic institutions; 13—F₁(Co-Mn-Ti-V) partition; 14—F₂ (Au-Ag-Mo-Cu-Bi) partition; 15—F₃(Cr-Ni) partition; 16—F₄(Pb-Zn) zoning; 17—F₇(Hg) zone; 18—mixed factor zoning; 19—copper mine; 20—iron ore point; 21—potash occurrences

F₂因子方差贡献率为14.408%,为研究区内最重要的成矿因子,元素组合为Au-Cu-Ag-Mo-Bi,以Au、Cu为主,主要分布于七宝山火山岩筒周围潜火山岩—火山岩分布区,中生代埠柳、伟德山中酸性侵入岩及脉岩分布区,新太古代变质岩区。该元素组合反映了Au、Cu、Ag多金属矿信息,代表了次火山成矿作用以及岩浆期后热液成矿作用。该因子分区中,次火山成矿作用形成了七宝山隐爆角砾岩型金铜矿床,受寄火山口、隐爆角砾岩筒控制,火山喷发之后岩浆侵入形成了辉长岩、辉石闪长岩、闪长岩—辉石二长岩、粗安玢岩和安山玢岩脉等一系列杂岩体。矿床的形成与次火山作用形成的杂岩体有直接关系,它既是矿体的围岩又是成矿的母岩。火山喷发形成的寄火山口、隐爆角砾岩筒是区内重要的控矿和贮矿构造。中生代埠柳、伟德山中酸性侵入岩及脉岩分布区具备F₂因子的特性,说明岩浆岩与潜火山岩岩浆关系密切;从时间维度考虑,埠柳序列岩体成岩时间为109~132 Ma,伟德山序列岩体成岩时间为108~127 Ma^[21],而潜火山岩侵入杂岩体的成岩成矿时间为126±3 Ma^[22],三者时间相当;从空间维度考虑,三者同处于胶莱盆地的南缘,位置相近;初步推断,埠柳序列、伟德山序列与潜火山岩侵入杂岩体同源,是重要的成矿有利地质体。新太古代变质岩区具备F₂因子的特性的原因应与中生代早白垩世岩浆期后热液构造充填有关。

F₃因子方差的贡献率为10.565%,元素组合为Ni-Cr,属亲铁族元素,主要分布在中生代大盛群地层分布区,反映了该大盛群地层的地质背景。在研究区南部青山群火山岩分布区也具备F₃因子特性,这与曾经上覆大盛群地层风化剥蚀有关。

F₄因子方差的贡献率为9.411%,元素组合为Pb-Zn,是区内占重要地位的成矿因子。Pb、Zn元素均表现为亲硫性,活动性高,迁移能力强,易形成异常。该因子地球化学分区主要分布在中生代潜火山岩分布区及外围,中生代大店序列岩体分布区,以及中生代伟德山序列岩体构造发育部位,分别代表了次火山岩浆热液成矿作用、岩浆分异成矿作用以及岩浆期后热液成矿作用。潜火山岩分布区及外围发育NE向、NW向和近SN向断裂构造,是主要的控矿构造,位于七宝山金铜矿床的外围,是寻找Pb、Zn多金属矿床有利场所。F₄因子广泛分布于中生代大店序列岩体分布区,基本代表了该地区大店序列岩体的成矿属性,显示了该岩体的Pb、Zn高背景值,是重要的成矿有利地质体。中生代伟德山序列岩体NE向构造发育部位直接反映了Pb、Zn矿成矿信息。

F₅因子方差贡献率为8.347%,元素组合As-Sb,均为低温元素,二者同为第Ⅴ主族元素,且As为亲铜元素,属低温半金属两性元素,地球化学行为相近,迁移能力较强^[6]。As、Sb可作为前缘晕指示性组合元素,指示成矿区域的成矿性。

F₆因子方差贡献率为6.064%,为Sn单元素分区,高温元素,主要分布在元古宙岩体与地层接触部位,反应了一定的热液活动作用,是中生代岩浆热液与元古宙岩体、中生代地层三者热接触蚀变的产物;地形上,该分区分布于岩体外围较平缓部位,符合Sn元素熔点低,具有较强的迁移能力;该因子为单元素因子,一般不具备单独成矿的可能性,可作为前缘晕指示性元素。

F₇因子方差贡献率为5.601%,为Hg单元素分区,是熔点很低的金属元素,具NE向与NW向展布形态,这与本区构造格架形态一致,体现出Hg分布多与构造活动有关,且扩散面积较大,反应了Hg具有很强的迁移能力,可作为前缘晕指示性元素。

F₈因子方差贡献率为5.566%,为W单元素分区,高温元素,主要分布在沂沭断裂带内部沿断裂方向展布,体现了与构造有关的高温热液活动的特征。W因子得分较低,分布面积小,呈断续的点、面状分布;该因子为单元素因子,一般不具备单独成矿的可能性,可作为局部构造活动指示性元素。

6 地球化学分区的找矿指示意义

6.1 成矿元素组合的指示意义

本区最具成矿意义的因子为F₂因子,其次为F₄因子,以F₂、F₄因子提取出的Au-Cu-Ag-Mo-Bi组合异常、Pb-Zn组合异常可作为找矿的地球化学标志,指导找矿;以F₁、F₃因子提取出的V-Ti-Co-Mn组合异常、Ni-Cr组合异常可作为F₂因子的探途元素,再结合地质特征,其组合异常地段的中心或者深部可能有次火山作用形成的隐爆角砾岩筒,是成矿有利地质体,指明了找矿方向。

6.2 成矿特征的指示作用

综合成矿因子元素组合意义、地球化学化学分区及地质矿产特征,F₂因子着重显示了本区重要的成矿作用—次火山成矿作用。通过图2地球化学分区图可以看出在七宝山附近形成的F₁、F₂、F₄三个因子的分布关系,F₂因子位于中心部位,代表了次火山作用形成的隐爆角砾杂岩体;F₄因子反映了隐爆角砾岩筒外围形成的放射状、环状的构造充填的成矿热液的富集现象;F₁因子反映了火山喷发作用形成的亲铁族元素的聚集过程;故F₂-F₄-F₁三个因子反映的现象的叠加可作为重要的找矿模型(图4a),以指导找矿。据此,在研究区东部石场—坊子村一带,具备一个F₂-F₄-F₁三因子组合模式的综合分区(图4b),F₂分区对应的埠柳序列岩体中发育多金属及铜矿点,本次工作又着重对位于核心部位的F₄因子反映的中生代伟德山岩体中的NE向构造带进行调查,发现了以Pb、Zn矿(化)为主的多金属矿(化),Pb品位0.154%~0.630%,Zn品位0.100%~0.459%,Cu品位0.888%~1.225%,Ag品位(15.302~93.495)×10^-6,找矿指示作用明显。

图4

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图4 七宝山金铜及外围多金属矿床F₂-F₄-F₁因子成矿模型(a)及石场—坊子村地区F₂-F₄-F₁因子成矿预测(b)

1—F₁(Co-Mn-Ti-V)分区;2—F₂(Au-Ag-Mo-Cu-Bi)分区;3—F₃(Cr-Ni)分区;4—F₄(Pb-Zn)分区;5—F₆(Sn)分区;6—F₂+F₄分区;7—混合因子分区;8—七宝山金铜矿;9—七宝山外围银矿;10—七宝山外围铅锌矿;11—铜矿点;12—多金属矿点;13—黄铁矿;14—铁矿点

Fig.4 F₂-F₄-F₁ factor metallogenic model of Au-Cu and its peripheral polymetallic deposits in Qibaoshan(a), and F₂-F₄-F₁ factor metallogenic prediction map in Shichang-Fangzicun area (b)

1—F₁ (Co-Mn-Ti-V) partition; 2—F₂ (Au-Ag-Mo-Cu-Bi) partition; 3—F₃ (Cr-Ni) partition; 4—F₄ (Pb-Zn) zoning; 5—F₆ (Sn) partition; 6—F₂+F₄ partition; 7—mixed factor partition; 8—Qibaoshan gold copper mine; 9—Qibaoshan peripheral silver mine; 10—Qibaoshan peripheral lead zinc mine; 11—copper mine; 12—polymetallic occurrences; 13—pyrite; 14—iron ore point

除此以外,在研究区南部,F₄因子基本覆盖了陵阳镇东部的中生代大店序列岩体(图5),是Pb、Zn元素高背景值的体现,而该岩体受沂沭断裂带的影响,其内部发育具有一定规律的菱形分布的断裂构造,是Pb、Zn成矿的有利场所。着重对断裂构造带进行调查,发现了以Pb、Zn矿(化)为主的多金属矿(化),Pb品位0.1%~0.981%,Zn品位0.132%~0.580%,Cu品位1.589%,Ag最高品位11.27×10^-6,找矿指示作用明显。

图5

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图5 研究区陵阳镇东部地区地质简图(a)及因子分析对比(b)

1—第四系;2—下白垩统青山群;3—下白垩统莱阳群;4—早白垩世大店序列;5—早白垩世埠柳序列;6—正长斑岩脉;7—二长斑岩脉;8—闪长玢岩脉;9—压扭性断裂/张扭性断裂/性质不明断裂;10—F₁(Co-Mn-Ti-V)分区;11—F₃(Cr-Ni)分区;12—F₄(Pb-Zn)分区;13—F₇(Hg)分区;14—F₈(W)分区;15—混合因子分区;16—铅矿点;17—铁矿点

Fig.5 Geological sketch map (a) and factor analysis contrast map (b) of the eastern part of Lingyang town in the study area

1—Quaternary system; 2—lower Cretaceous Qingshan Group; 3—lower Cretaceous Laiyang Group; 4—early Cretaceous Dadian sequence; 5—early Cretaceous Buliu sequence; 6—syenite porphyry vein; 7—monzonitic porphyry vein; 8—diorite porphyrite vein; 9—compression torsion fracture/tension torsion fracture/fracture of unknown nature; 10—F₁ (Co-Mn-Ti-V) zoning; 11—F₃ (Cr-Ni) partition; 12—F₄(Pb-Zn) zoning; 13—F₇ (Hg) zone; 14—F₈ (W) zone; 15—mixed factor zoning; 16—lead ore occurrence; 17—iron ore point

6.3 成矿构造系统的指示作用

F₂-F₄-F₁三个因子反映的现象的叠加可视为隐爆角砾岩筒—构造充填—火山机构组合形成的成矿构造系统,故在本区或者区域上火山岩分布区寻找寄火山口、隐爆角砾岩筒是重要的找矿方向。研究区南部下不落崮地区火山岩及环形构造发育,推测深部可能存在隐爆角砾岩筒,应加大勘查力度,以期新的突破。此外,在区域上,胶莱盆地及胶南隆起的北缘火山喷发活动强烈,有望发现新的成矿构造系统,指明了找矿方向。

7 结论

1)利用因子分析进行地球化学分区,是将研究区内的水系沉积物样品所反映的地球化学统计信息,以分区的形式反映在一张图上,相对原本错综繁杂的数据和各种不同的图件更为清晰和简捷。综合地球化学分区和其反映的地质作用及地质矿产特征,可为地质矿产勘查指明方向。

2)通过因子分析,将研究区内18种元素划分为8种新元素组合,形成地球化学分区图,综合研究区地质成矿条件,可以判定地球化学异常组合和元素组合的找矿意义。本区最具成矿意义的组合为Au-Cu-Ag-Mo-Bi,其次为Pb-Zn;V-Ti-Co-Mn组合和Ni-Cr组合可作为探途元素,指示组合异常地段的中心及深部可能存在有利的成矿机制。

3)研究区内成矿地质特征表明,火山机构成矿是本区重要的成矿机构,故在本区或者区域上火山岩分布区寻找寄火山口、隐爆角砾岩筒是重要的找矿方向,成矿元素组合为Au-Cu-Ag-Mo-Bi。在研究区东部石场—坊子村一带,具备一个F₂-F₄-F₁三因子组合模式的综合分区,中生代埠柳序列、伟德山序列岩体是成矿有利地质体,其中的NE向构造带是成矿有利场所,指明了找矿方向。

致谢

本文的研究思路得到了山东省地质学会秘书长庞绪贵专家和河北省地质调查院总工程师李晓峰的重要指导和帮助,在此表示衷心的感谢!

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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高延光, 杨忠芳, 汪明启, 等.

青海北祁连中南沟水系沉积物地球化学特征

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